3 Вакуумные системы и их элементы
Вакуумное оборудование для нанесения тонких пленок так же, как оборудование для откачки ЭВП, может быть разделено на следующие группы: вакуумные установки непрерывного действия; вакуумные установки непрерывного действия и конвейерные линии непрерывного действия.
Установки периодического действия колпакового типа наиболее распространены в промышленности. Однако контактирование довольно сложного подколпачного устройства установки с атмосферным воздухом после подъема колпака, а также невозможность прогрева колпака затрудняют получение давления меньше 1 10-4 Па. Производительность таких установок также невелика из-за значительного вспомогательного времени, необходимого для получения рабочего давления.
Стремление повысить производительность оборудования, а также обеспечить одинаковые условия для изготовления изделий привело к созданию автоматизированных установок непрерывного действия с шлюзовой загрузкой. Непрерывная подача изделий в рабочую камеру устраняет необходимость в остановке работы вакуумной системы и сообщении рабочей камеры с атмосферным воздухом при переходе от одной партии изделий к другой.
Благодаря этому резко сокращается вспомогательное время, обеспечивается однородность технологического процесса и повышается производительность труда.
Вакуумные системы современных установок для нанесения тонких пленок состоят из следующих основных узлов: вакуумной рабочей камеры, коммутирующих элементов, средств откачки и средств измерения давления.
Основные требования, предъявляемые к вакуумным системам.
В зависимости от назначения технологической установки к ее вакуумной системе может быть предъявлен ряд требований, выполнение которых обеспечивает возможность проведения необходимого технологического процесса, осуществляемого в вакууме:
вакуумная система должна обеспечить получение требуемого давления в откачиваемом сосуде. Так, установка, предназначенная для откачки ЭВП, должна иметь вакуумную систему, обеспечивающую получение и поддержание давления в приборе на таком уровне, который исключает отравление катода и загрязнение других элементов прибора при достаточно быстром его обезгаживании прогревом. Для удовлетворения этого требования вакуумная система должна быть герметичной и снабжена соответствующими средствами откачки, измерения давления, коммутирующими и разъемными элементами. Важным условием выполнения этого требования является подбор материалов, из которых будут изготовлены вакуумная система и ее элементы, а также методы подготовки вакуумной системы к работе;
вакуумная система должна обеспечить возможность получения требуемой быстроты откачки сосуда. Для этого вакуумная система должна иметь определенную проводимость, а примененный вакуумный насос должен обладать
необходимой быстротой действия;
вакуумная система должна быть снабжена устройствами для контроля ряда параметров, характеризующих ее состояние. К таким основным параметрам относятся общее и парциальные давления остаточных газов, скорость собственного газовыделения вакуумной системы, скорость накопления отдельных газов и паров в вакуумной системе и так далее. Для контроля и измерения этих параметров вакуумную систему снабжают преобразователями давления, масс-спектрометрами, потокомерами и другими измерительными приборами;
при применении автоматических систем управления технологическими процессами (АСУТП) вакуумная система должна быть оснащена набором различных датчиков, осуществляющих передачу информации на ЭВМ. Используемые в вакуумной системе коммутирующие элементы должны быть автоматизированными, а средства откачки - высокопроизводительными и долговечными.
Технологический процесс, осуществляемый на вакуумных установках, часто длится многие десятки часов, поэтому вакуумная система должна быть высоконадежной при эксплуатации и иметь длительный межремонтный период. Это требование вызвано также и тем, что необходимо поддерживать вакуумную систему в рабочем состоянии в течение как можно большего времени. Вакуумная система, длительно не соприкасающаяся с атмосферой (особенно это относится к высоковакуумным магистралям), с течением времени обезгаживается, снижается ее собственное газовыделение и повышается эффективность ее работы.
Требования, предъявляемые к вакуумным системам оборудования для нанесения тонких пленок. А принципиальное построение вакуумных систем во многом напоминает схемы вакуумных систем индивидуальных откачных постов.
В таблице 3.1 приведены принципиальные схемы вакуумных систем наиболее распространенных установок для нанесения тонких пленок. Вакуумная система нашла применение в установках для производства интегральных схем. Рабочая камера предварительно откачивается до давления 5 Па через кран механическим вакуумным насосом, который в этой время отсоединен от пароструйного диффузионного насоса краном. Затвор закрыт, а насос работает на форвакуумный баллон. После достижения давления около 10 Па высоковакуумная откачка рабочей камеры до давления 1 10-4 - 5 10-5 Па осуществляется через азотную ловушку высоковакуумным насосом; при этом кран закрыт, а кран открыт. При выключении насоса в него напускают воздух через электромагнитный клапан. Краны и электромагнитный клапан смонтированы в один блок.
Давление в вакуумной системе измеряют манометрическими преобразователями.
Часто внутри рабочей камеры размещают охлаждаемую жидким азотом ловушку (мейснеровская ловушка), назначение которой - улучшить вакуум в камере при значительном газовыделении некоторых материалов при их испарении. С этой же целью в ряде конструкций устанавливают в рабочей камере дополнительные титановые испарительные геттерные насосы или криосорбционные насосы, охлаждаемые жидким гелием. Для напуска воздуха или газа в рабочую камеру предусмотрены электромагнитный натекатель и ручной натекатель.
Вакуумная
система, изготовленная по схеме два
таблицы 3.1, используется в установках
для производства многослойных
тонкопленочных элементов микросхем
методом ионного испарения материалов.
В качестве основного средства откачки
применен бустерный насос с азотной
ловушкой, который откачивает рабочую
камеру до давления 5
10-3 Па
через затвор. Затем из смесительного
бака, который может быть предварительно
откачан через кран, с помощью игольчатых
натекателей и газ или смесь газов
подается в рабочую камеру, и давление
в ней возрастает до 15-5
10-1 Па.
Уровень рабочего давления в камере стабилизируется и регулируется как изменением потока газа, напускаемого через игольчатые натекатели, так и положением заслонки, изменяющей эффективную быстроту откачки рабочей камеры. Предварительная откачка рабочей камеры чрез кран и насоса через краны осуществляется механическим вакуумным насосом, снабженным водоохлаждаемым маслоотражателем. Электромагнитный клапан служит для напуска воздуха в систему, а клапан - в насос. Измерение давления в различных участках системы производится манометрическими преобразователями.
Как уже отмечалось, вакуумные установки колпакового типа с использованием резиновых уплотнителей не позволяют получать высокий вакуум из-за невозможности производить высокотемпературный прогрев с целью обезгаживания рабочей камеры. Применение металлических уплотнителей при частых подъемах и опусканиях колпака значительно затрудняет эксплуатацию оборудования. Поэтому для получения давления меньше 10-5 Па в лабораторных установках для нанесения тонких пленок оказалось целесообразным использование двухстенных рабочих камер, выполненных по системе «вакуум в вакууме».
Сверхвысоковакуумная система, изготовленная по этому принципу, соответствует схеме три представлена в таблице 3.1. Наружная водоохлаждаемая толстостенная камера уплотняется с плитой с помощью резинового уплотнителя и через кран шесть с моторным приводом, водоохлаждаемую ловушку и кран предварительно откачивается механическим вакуумным насосом до давления 10-1 Па. Затем камера через затвор и азотную ловушку откачивается до давления от 10-3 до 10-4 Па пароструйным диффузионным насосом. Внутренняя тонкостенная рабочая камера два предварительно откачивается до давления от 10-3 до 10-4 Па через кран с моторным приводом, установленным в камере, одновременно с наружной камерой.
Высоковакуумная откачка рабочей камеры до давления 5 10-7 Па производится ионно-геттерным насосом. Для обезгаживания рабочей камеры 2 прогревом до 700 К через ее тонкие стенки пропускают электрический ток при непрерывной откачке камер. Уплотнение внутренней камеры осуществлено по притертым поверхностям. Благодаря тому, что вокруг камеры создано достаточно высокое разрежение, перетекание газа из камеры в камеру незначительно. Газ в камеру напускается с помощью натекателя, а в механический насос - натекателем. При предварительной откачке камер насосом последний отсоединяется от высоковакуумного насоса краном, причем роль форвакуумного баллона в это время выполняет отсоединенный трубопровод, объем которого оказывается достаточным для поддержания необходимого выпускного давления на патрубке насоса. Для измерения давления в системе предусмотрены манометрические преобразователи.
Таблица 3.1 – Принципиальные схемы вакуумных систем оборудования для нанесения тонких пленок.
Техническая характеристика, применение |
Рисунок |
||||
Пароструйный диф.насос с азотной ловушкой, Механический вакуумный насос; Рост = 5•10-5 Па. Установка для производства тонко-пленочных элементов и интегральных схем. |
|
||||
Бустерный насос с азотной ловушкой; механический вакуумный насос, Рост = 5•10-3 Па. Установка для производства много-слойных тонкопленочных элементов микросхем методом полного испарения металлов. |
|
||||
Ионно-геттерный насос. Пароструйный диффузионный насос. Механический вакуумный насос. Рост = 5•10-7 Па. Исследовательская установка для отработки тонкопленочной технологии. |
|
Элементы вакуумных систем.
Разборные вакуумные соединения относятся к числу наиболее ответственных узлов любой вакуумной системы. Это связано с тем, что потеря вакуумной плотности вакуумной системы чаще всего вызывается разгерметизацией разборного соединения. При выборе конструкции разборного соединения для работы в конкретной вакуумной системе необходимо руководствоваться следующими характеристиками:
натеканием, тоесть количеством газа, протекающего в единицу времени в вакуумный сосуд между поверхностями уплотнителя и элементом соединения, а также за счет проницаемости газа через материал уплотнителя;
газовыделением с поверхностей уплотнителя и элементов соединения, соприкасающихся с вакуумным сосудом;
механической прочностью соединения;
термической стойкостью, способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без нарушения герметичности;
химической стойкостью;
легкостью монтажа и демонтажа соединения и степенью сложности его изготовления;
простотой проверки герметичности.
В разборных вакуумных соединениях в зависимости от предъявляемых требований к разрежению в вакуумной системе могут быть использованы как неметаллические, так и металлические уплотнители.
Устройства для передачи движения в откачиваемый сосуд
Возможность использования того или иного устройства для ввода движения в значительной степени определяется конструкцией уплотнительного элемента, передающего движение в откачиваемый сосуд.
Конструкция уплотнительного элемента определяет диапазон рабочих давлений и температур, максимально возможную передаваемую нагрузку, максимально допустимые скорость и перемещение ведомого звена в вакууме, кинематическую точность, срок службы и другие параметры ввода.
В зависимости от конструкции уплотнительного элемента вводы движения могут быть разбиты на три группы:
вводы движения с контактным уплотнительным элементом;
вводы движения с деформируемым уплотнительным элементом;
вводы движения с неподвижным уплотнительным элементом. [1]